RU2743523C1 - Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method - Google Patents

Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method Download PDF

Info

Publication number
RU2743523C1
RU2743523C1 RU2019141022A RU2019141022A RU2743523C1 RU 2743523 C1 RU2743523 C1 RU 2743523C1 RU 2019141022 A RU2019141022 A RU 2019141022A RU 2019141022 A RU2019141022 A RU 2019141022A RU 2743523 C1 RU2743523 C1 RU 2743523C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixture
graphite
graphene
disc
disk
Prior art date
Application number
RU2019141022A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Федорович Першин
Заман Абуд Алмалик Абуд Али Алхило
Андрей Алексеевич Баранов
Александр Михайлович Воробьев
Алексей Александрович Осипов
Алексей Григорьевич Ткачев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ")
Priority to RU2019141022A priority Critical patent/RU2743523C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743523C1 publication Critical patent/RU2743523C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • C01B32/19—Preparation by exfoliation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/528—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling

Abstract

FIELD: chemical engineering.SUBSTANCE: set of inventions relates to a technology for carbon nanomaterials, in particular to a technology for mechanic producing graphene-containing suspensions. Graphene materials, in particular nanoplatelets (GNP) and composites based on them are widely used, in particular for the modification of plastic lubricants. The method consists in producing a mixture of graphite and an organic liquid, dispersing it by means of intensive shear deformation under pressure by passing said mixture through a gap between the stationary body and the rotating disc. According to the invention, the mixture is treated in a rod drum mill for 15 to 40 hours prior to dispersion after which it is centrifuged for 10 to 60 minutes at average centrifugal accelerations in a mixture of 40 to 45 ms-2, and a portion of the sediment is removed, a bowl effluent in the amount of 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture is directed to the dispersion unit. The device for implementing a method for producing graphene-containing suspensions comprises a unit for supplying a graphite-liquid mixture, which is installed at the input of the rod drum mill, the output of which is connected to the loading opening of the centrifuge, provided with a sediment discharge nozzle and a bowl effluent discharge nozzle which is connected to the loading opening of the dispersion unit via an intermediate container with a metering pump. A disk is installed in the dispersion unit in the body, said disk being connected to a drive shaft, the rotation drive of which is provided with a bearing unit which is fastened in the central bore of the body lid coaxially installed in the upper part of the body in such a way that the gap between the bottom and the lid can be adjusted. The bottom of the body is provided with annular grooves and the bottom surface of the disc is provided with annular projections, wherein the projections are equidistantly arranged in grooves with lateral gaps of less than 0.2 mm. The loading opening is arranged in the central part of the bottom and the discharge opening is arranged in the lateral wall of the body above the top edge of the disc.EFFECT: proposed method and device enable producing graphene-containing suspensions in a continuous mode, without the graphite being intercalated with acid, with a smaller number of layers of graphene structures.5 cl, 5 dwg

Description

Группа изобретений относится к технологии углеродных наноматериалов, конкретно к технологии получения графеносодержащих суспензий механическим способом. Графеновые материалы, в частности нанопластинки (ГНП) и композиты на их основе, находят широкое применение, в частности, для модифицирования пластичных смазок.The group of inventions relates to the technology of carbon nanomaterials, specifically to the technology of obtaining graphene-containing suspensions by a mechanical method. Graphene materials, in particular nanoplates (GNP) and composites based on them, are widely used, in particular, for the modification of greases.

Известен способ, описанный в статье A.V. Melezhyk, A.G. Tkachev, Synthesis of graphene nanoplatelets from peroxsulfate graphite intercalation compounds (Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathe-matics, 2014 v. 5, no. 2, p.p. 294-306, разделы 2.1. Starting materials, 2.2, Sinthesis procedure, 4. Conclusions), включающий получение интеркалированного графита путем обработки кристаллического графита раствором персульфата аммония в серной кислоте, последующую выдержку полученного интеркалированного соединения графита до расширения (так называемое «холодное» расширение) и диспергирование расширенного соединения графита.The known method is described in article A.V. Melezhyk, A.G. Tkachev, Synthesis of graphene nanoplatelets from peroxsulfate graphite intercalation compounds (Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathe-matics, 2014 v. 5, no. 2, pp 294-306, sections 2.1. Starting materials, 2.2, Sinthesis procedure, 4. Conclusions ), including the production of intercalated graphite by treating crystalline graphite with a solution of ammonium persulfate in sulfuric acid, the subsequent holding of the resulting intercalated graphite compound before expansion (the so-called "cold" expansion) and dispersion of the expanded graphite compound.

Недостаток способа заключается в сложности аппаратурного оформления и высокой энергоемкости.The disadvantage of this method is the complexity of the hardware design and high energy consumption.

Этот недостаток частично был устранен обработкой графита продолжительностью от 15 до 40 часов в стержневой барабанной мельнице по пат. РФ 2670495, МПК В02С 17/10, опубл. 23.10.2018, бюл. №30. Удалось получить графеносодержащую суспензию из кристаллического графита (ГСМ-1 или ГСМ-2) без предварительной интеркаляции кислотой.This drawback was partially eliminated by processing graphite for a duration of 15 to 40 hours in a rod drum mill according to US Pat. RF 2670495, IPC В02С 17/10, publ. 23.10.2018, bul. No. 30. It was possible to obtain a graphene-containing suspension from crystalline graphite (GSM-1 or GSM-2) without preliminary intercalation with acid.

Недостатком такого способа является низкий выход графеносодержащего продукта.The disadvantage of this method is the low yield of the graphene-containing product.

Известен также принятый за прототип способ, (патент РФ 2 648 892, МПК С04В 35/52, D21D 1/38, В02С 7/08, опубл. 2017, бюл. №25), включающий получение смеси графита с органической жидкостью, диспергирование за счет интенсивной сдвиговой деформации под давлением путем ее пропускания через зазор между неподвижным корпусом и вращающимся диском.Also known as a prototype method (RF patent 2 648 892, IPC С04В 35/52, D21D 1/38, В02С 7/08, publ. 2017, bull. No. 25), including obtaining a mixture of graphite with an organic liquid, dispersing for due to intense shear deformation under pressure by passing it through the gap between the stationary body and the rotating disk.

Недостатком данного устройства заключается в том, что его нельзя использовать для получения графеновых пластинок без предварительного интеркалирования графита кислотой.The disadvantage of this device is that it cannot be used to obtain graphene plates without preliminary intercalation of graphite with acid.

Известна по патенту РФ №2091163, МПК В02С 7/08, 1997, дисковая мельница, содержащая цилиндрический корпус с загрузочным и выгрузочными отверстиями, установленный внутри корпуса на приводном вертикальном валу дробящий орган в виде дробильных дисков и привод. Дробильные диски насажены на вал с эксцентриситетом, образуя в процессе дебалансный вибратор, причем каждый диск выполнен с зубчатыми цилиндрической и конической поверхностями, последняя из которых направлена в сторону выхода материала.Known by RF patent No. 2091163, IPC В02С 7/08, 1997, a disk mill containing a cylindrical housing with loading and unloading openings, a crushing body in the form of crushing disks and a drive installed inside the housing on a vertical drive shaft. The crushing discs are mounted on the shaft with eccentricity, forming in the process an unbalanced vibrator, and each disc is made with toothed cylindrical and conical surfaces, the last of which is directed towards the material outlet.

Основной недостаток заключается в невозможности получения нанодисперсного помола и регулировки давления при подаче материала в устройство.The main disadvantage is the impossibility of obtaining nanodispersed grinding and adjusting the pressure when feeding the material into the device.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство по патенту РФ 2 648 892, 2017, МПК С04В 35/52, D21D 1/38, В02С 7/08, опубл. 2017, бюл. №25. Устройство для получения графена содержащее корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями, узел подачи смеси расширенного соединения графита с карбамидом и глицерином в качестве исходного материала, диск, установленный в нижней части корпуса, соединенный с приводом вращения, приводной вал которого снабжен подшипниковым узлом, закрепленным в центральной расточке крышки, коаксиально установленной в верхней части корпуса с возможностью регулирования зазора между днищем и крышкой, при этом загрузочное отверстие расположено в центральной части днища и сообщено с узлом подачи соединения графита с карбамидом и глицерином, а разгрузочное отверстие расположено в боковой стенке корпуса выше верхней кромки диска.The closest to the claimed device is a device according to RF patent 2 648 892, 2017, IPC С04В 35/52, D21D 1/38, В02С 7/08, publ. 2017, bul. No. 25. A device for producing graphene containing a housing with loading and unloading holes, a feeding unit for a mixture of an expanded graphite compound with urea and glycerin as a starting material, a disk installed in the lower part of the housing connected to a rotation drive, the drive shaft of which is equipped with a bearing assembly fixed in the central bore of the lid, coaxially installed in the upper part of the housing with the possibility of adjusting the gap between the bottom and the lid, while the loading opening is located in the central part of the bottom and communicated with the supply unit for the connection of graphite with urea and glycerin, and the discharge opening is located in the side wall of the housing above the upper edge disk.

Недостатком данного устройства заключается в том, что его нельзя использовать для получения графеновых пластинок без предварительного интеркалирования графита кислотой.The disadvantage of this device is that it cannot be used to obtain graphene plates without preliminary intercalation of graphite with acid.

Общим признаком для заявляемого и известного устройств является родовое понятие.A common feature for the claimed and known devices is a generic term.

Технический результат заявляемого изобретения-способа заключается в получении смеси графита с органической жидкостью, диспергировании за счет интенсивной сдвиговой деформации под давлением путем ее пропускания через зазор между неподвижным корпусом и вращающимся диском. Согласно изобретению перед диспергированием смесь обрабатывают в стержневой барабанной мельнице от 15 до 40 часов, после чего центрифугируют от 10 до 60 минут при средних значениях центробежных ускорений в смеси от 40 до 45 мс-2, удаляют часть осадка, а фугат в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси направляют в узел диспергирования.The technical result of the claimed invention-method consists in obtaining a mixture of graphite with an organic liquid, dispersing due to intense shear deformation under pressure by passing it through the gap between the stationary body and the rotating disk. According to the invention, before dispersing, the mixture is processed in a rod drum mill for 15 to 40 hours, after which it is centrifuged for 10 to 60 minutes at average centrifugal accelerations in the mixture from 40 to 45 ms -2 , part of the sediment is removed, and the centrifuge in an amount of 1 / 6 to 1/4 of the total volume of the mixture is sent to the dispersion unit.

Технический результат способа может также достигаться тем, что при диспергировании периодически изменяют на 90 градусов направление движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском.The technical result of the method can also be achieved in that during dispersion, the direction of movement of the mixture in the gap between the stationary body and the rotating disk is periodically changed by 90 degrees.

Отличием предлагаемого способа от известного является получение смеси из графита, без предварительно интеркалирования графита кислотой, путем его обработки в стержневой барабанной мельнице от 15 до 40 часов, центрифугирования от 10 до 60 минут, удаления осадка в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси, а при диспергировании периодически изменяют на 90 градусов направление движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском. Это обеспечивает снижение затрат за счет упрощения технологии, отсутствия дополнительных материалов (персульфата аммония, серной кислоты, карбамида и глицерина), сокращения продолжительности технологических операций.The difference between the proposed method and the known one is to obtain a mixture of graphite, without preliminary intercalation of graphite with acid, by processing it in a rod drum mill for 15 to 40 hours, centrifuging for 10 to 60 minutes, removing sediment in an amount from 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture, and during dispersion periodically change the direction of movement of the mixture by 90 degrees in the gap between the stationary body and the rotating disc. This ensures cost savings due to simplified technology, the absence of additional materials (ammonium persulfate, sulfuric acid, carbamide and glycerin), and a reduction in the duration of technological operations.

За счет обработки в стержневой барабанной мельнице от 15 до 40 часов (Пат. Р.Ф. 2670495, МПК В02С 17/10. Стержневая барабанная мельница / Першин В.Ф, Жумагалиева Г.Б., Меметов Н.Р., Пасько А.А., Ткачев А. Г.; опубл. 23.10.2018, Бюл. №30) удалось получить графеносодержащую суспензию из кристаллического графита (ГСМ-1 или ГСМ-2) без предварительной интеркаляции кислотой. За счет центрифугирования смеси при средних значениях центробежных ускорений в смеси от 40 до 45 мс-2 и удаления осадка в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси, получают графеносодержащую суспензию, т.е. удаляют частицы графита. За счет периодического изменения на 90 градусов направления движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском при диспергировании обеспечивают увеличение малослойного (5-15 слоев графена) графена (на 20-25%) и гомогенизируют.Due to processing in a rod drum mill from 15 to 40 hours (Pat. RF 2670495, IPC В02С 17/10. Rod drum mill / Pershin VF, Zhumagalieva G.B., Memetov NR, Pasko A A.A., Tkachev A.G.; publ. 23.10.2018, bull. No. 30) it was possible to obtain a graphene-containing suspension from crystalline graphite (GSM-1 or GSM-2) without preliminary intercalation with acid. By centrifuging the mixture at average values of centrifugal accelerations in the mixture from 40 to 45 ms -2 and removing sediment in an amount from 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture, a graphene-containing suspension is obtained, i.e. remove particles of graphite. By periodically changing the direction of movement of the mixture by 90 degrees in the gap between the stationary body and the rotating disk during dispersion, an increase in low-layer (5-15 graphene layers) graphene (by 20-25%) is provided and homogenized.

За счет периодического изменения на 90 градусов направления движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском при диспергировании обеспечивают увеличение малослойного (5-15 слоев графена) графена (на 20-25%) и гомогенизируют смесь.By periodically changing the direction of movement of the mixture by 90 degrees in the gap between the stationary body and the rotating disk during dispersion, an increase in low-layer (5-15 graphene layers) graphene (by 20-25%) is provided and the mixture is homogenized.

Технический результат по заявляемому изобретению-устройству заключается в создании устройства, обеспечивающего реализацию предлагаемого способа получения графеносодержащих материалов. Устройство для осуществления способа получения графеносодержащих суспензий, содержащее узел диспергирования, в корпусе которого установлен диск, соединенный с приводным валом, привод вращения которого снабжен подшипниковым узлом, закрепленным в центральной расточке крышки корпуса, коаксиально установленной в верхней части корпуса с возможностью регулирования зазора между днищем и крышкой, при этом загрузочное отверстие расположено в центральной части днища, а разгрузочное отверстие расположено в боковой стенке корпуса выше верхней кромки диска, согласно изобретению, оно содержит узел подачи смеси графита и жидкости, установленный на входе стержневой барабанной мельницы, выход которой соединен с загрузочным отверстием центрифуги, снабженной штуцером отвода осадка и штуцером отвода фугата, который соединен с загрузочным отверстием узла диспергирования через промежуточную емкость с насосом - дозатором, при этом в узле диспергирования дно корпуса выполнено с кольцевыми пазами, а нижняя поверхность диска - с кольцевыми выступами, причем выступы эквидистантно размещены в пазах с боковыми зазорами менее 0,2 мм.The technical result of the claimed invention-device consists in creating a device that provides the implementation of the proposed method for producing graphene-containing materials. A device for implementing a method for producing graphene-containing suspensions, comprising a dispersion unit, in the housing of which a disk is installed, connected to a drive shaft, the rotation drive of which is equipped with a bearing unit fixed in the central bore of the housing cover, coaxially installed in the upper part of the housing with the possibility of adjusting the gap between the bottom and cover, while the loading hole is located in the central part of the bottom, and the discharge hole is located in the side wall of the housing above the upper edge of the disc, according to the invention, it contains a unit for supplying a mixture of graphite and liquid, installed at the inlet of the rod drum mill, the outlet of which is connected to the loading hole centrifuge equipped with a sludge outlet and a centrifuge outlet, which is connected to the loading opening of the dispersion unit through an intermediate container with a dosing pump, while the bottom of the dispersion unit is made with annular grooves, and the lower surface The surface of the disk is with annular protrusions, and the protrusions are equidistantly located in the grooves with side gaps of less than 0.2 mm.

Кольцевые пазы корпуса и кольцевые выступы диска могут иметь прямоугольную форму.The body annular grooves and the disc annular projections may be rectangular in shape.

Кольцевые пазы корпуса и кольцевые выступы диска могут иметь треугольную формуBody annular grooves and disc annular protrusions can be triangular

Отличием предлагаемого устройства от известного является включение узла подачи смеси графита и жидкости, установленного на входе стержневой барабанной мельницы, выход которой соединен с загрузочным отверстием центрифуги, снабженной штуцером отвода осадка и штуцером отвода фугата, который соединен с загрузочным отверстием узла диспергирования через промежуточную емкость с насосом - дозатором, при этом в узле диспергирования дно корпуса выполнено с кольцевыми пазами, а нижняя поверхность диска - с кольцевыми выступами, причем выступы размещены в пазах с боковыми зазорами менее 0,2 мм. Эти отличительные признаки обеспечивают:The difference between the proposed device and the known one is the inclusion of a unit for supplying a mixture of graphite and liquid, installed at the inlet of a rod drum mill, the outlet of which is connected to the inlet of the centrifuge equipped with a sludge outlet and a centrifuge outlet, which is connected to the inlet of the dispersion unit through an intermediate tank with a pump - a dispenser, while in the dispersion unit the bottom of the housing is made with annular grooves, and the lower surface of the disk - with annular protrusions, and the protrusions are located in the grooves with side gaps less than 0.2 mm. These distinguishing features provide:

- предварительную обработку в стержневой мельнице, что исключает интеркалирование графита и получение дисперсной суспензии для последующего диспергирования:- pre-treatment in a rod mill, which excludes the intercalation of graphite and the production of a dispersed suspension for subsequent dispersion:

- за счет центрифугирования смеси при средних значениях центробежных ускорений в смеси от 40 до 45 мс-2 и удаления осадка в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси, получают графеносодержащую суспензию, т.е. удаляют частицы графита;- by centrifuging the mixture at average values of centrifugal accelerations in the mixture from 40 to 45 ms -2 and removing sediment in an amount from 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture, a graphene-containing suspension is obtained, i.e. remove particles of graphite;

- создание необходимого давления в устройстве для диспергирования.- creating the required pressure in the dispersing device.

Выполнение кольцевых пазов корпуса и кольцевых выступов диска с прямоугольной формой обеспечивает увеличение площади контакта, на которой действуют сдвиговые силы, что позволяет увеличить производительность устройства для диспергирования.The implementation of the annular grooves of the body and the annular protrusions of the disc with a rectangular shape provides an increase in the contact area on which shear forces act, which makes it possible to increase the productivity of the dispersing device.

Выполнение кольцевых пазов корпуса и кольцевых выступов диска с треугольной формой обеспечивает эквидистантность поверхностей сдвиговой деформации.The implementation of the annular grooves of the body and the annular projections of the disk with a triangular shape ensures the equidistance of the shear deformation surfaces.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где на представленных чертежах показаны:The essence of the claimed invention is illustrated by an example of a specific implementation, where the presented drawings show:

на фиг. 1 - общий вид устройства для получения графеносодержащих суспензий;in fig. 1 is a general view of a device for producing graphene-containing suspensions;

на фиг. 2 показано устройство для диспергирования в разрезе и с прямоугольными канавками;in fig. 2 shows the dispersing device in section and with rectangular grooves;

на фиг. 3 показано смещение оси канала загрузочного канала относительно оси вращения диска;in fig. 3 shows the displacement of the axis of the feed channel relative to the axis of rotation of the disk;

на фиг. 4 показано сечение по А-А фиг. 2;in fig. 4 shows a section along a-A of FIG. 2;

на фиг. 5 показано сечение устройства для диспергирования с треугольными канавками;in fig. 5 shows a cross-sectional view of a dispersing device with triangular grooves;

Перечень позиций, указанных на чертежах:List of items indicated in the drawings:

1. стержневая барабанная мельница;1.Rod drum mill;

2. центрифуга;2. centrifuge;

3. штуцер отвода осадка;3. fitting for sludge removal;

4. штуцер отвода фугата;4. fitting for the centrate outlet;

5. узел диспергирования;5. unit of dispersion;

6. корпус;6. body;

7. диск;7.disk;

8. приводной вал;8. drive shaft;

9. подшипниковый узел;9. bearing assembly;

10. крышка корпуса;10. case cover;

11. нажимная шпилька;11. push pin;

12. отжимной болт;12. forcing bolt;

13. загрузочное отверстие;13. loading hole;

14. разгрузочное отверстие;14. discharge opening;

15. вход стержневой барабанной мельницы;15. inlet of the rod drum mill;

16. выход стержневой барабанной мельницы;16. outlet of the rod drum mill;

17. загрузочное отверстие центрифуги;17. loading hole of the centrifuge;

18. привод;18. drive;

19. загрузочное отверстие узла диспергирования;19. feed opening of the dispersion unit;

20. промежуточная емкость;20. intermediate tank;

21. насос-дозатор;21. dosing pump;

22. дно корпуса выполнено с кольцевыми пазами;22. the bottom of the body is made with annular grooves;

23. нижняя поверхность диска - с кольцевыми выступами.23. the lower surface of the disc - with annular protrusions.

Способ получения графеносодержащих суспензий осуществляется следующим образом. Готовят смесь природного кристаллического графита марки ГСМ-2 (зольность до 0,5%) с органической жидкостью типа силиконового масла ПМС и подают в на вход стержневой барабанной мельницы 15, в которой смесь обрабатывают от 15 до 40 часов, после чего центрифугируют в центрифуге 2 от 10 до 60 минут при средних значениях центробежных ускорений в смеси от 40 до 45 мс-2, удаляют осадок в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси через штуцер отвода осадка 3, а фугат через штуцер 4 сливают в промежуточную емкость 20, из которой насосом-дозатором 21 подают на вход загрузочного отверстия 13 узла диспергирования 5. Механохимическую обработку пасты, содержащей графитовый материал и органическую жидкость, предпочтительно легкие масла или силиконовые жидкости, проводили в устройстве, выполненном согласно п. 3 формулы изобретения. Диаметр диска RД=149 мм, внутренний диаметр корпуса RK=150 мм, скорость вращения диска изменяют от 500 до 3000 об/мин. Обрабатываемую пасту пропускают через зазор между диском 7 и корпусом 6 под давлением, которое создают насосом-дозатором 21, и при этом пасту подвергают деформации сдвига. При диспергировании периодически изменяют на 90 градусов направление движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском.The method for producing graphene-containing suspensions is carried out as follows. A mixture of natural crystalline graphite grade GSM-2 (ash content up to 0.5%) with an organic liquid such as PMS silicone oil is prepared and fed to the input of a rod drum mill 15, in which the mixture is processed from 15 to 40 hours, and then centrifuged in a centrifuge 2 from 10 to 60 minutes at average values of centrifugal accelerations in the mixture from 40 to 45 ms -2 , sediment is removed in an amount from 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture through the sludge outlet nozzle 3, and the centrifuge through the nozzle 4 is poured into the intermediate container 20, from which a dosing pump 21 is fed to the inlet of the feed opening 13 of the dispersing unit 5. The mechanochemical treatment of the paste containing graphite material and an organic liquid, preferably light oils or silicone fluids, was carried out in a device according to claim 3. The diameter of the disk is RД = 149 mm, the inner diameter of the body is RK = 150 mm, the rotation speed of the disk is changed from 500 to 3000 rpm. The processed paste is passed through the gap between the disc 7 and the housing 6 under pressure, which is created by the metering pump 21, and the paste is subjected to shear deformation. When dispersing, the direction of movement of the mixture is periodically changed by 90 degrees in the gap between the stationary body and the rotating disc.

В процессе проведения экспериментов изменяли зазор между диском и корпусом от 0,05 до 0,3 мм и подвергали механоактивации смеси. Суспензию пропускали через зазор по 5 раз и после каждого прохождения брали пробы и проводили анализ. В результате обработки полученных результатов установлено, что при зазорах более 0,2 мм наблюдается резкое уменьшение частиц с малым количеством слоев, а при зазоре более 0,5 мм процесс уменьшения слоев практически прекратился.In the course of the experiments, the gap between the disc and the body was changed from 0.05 to 0.3 mm and the mixture was mechanically activated. The suspension was passed through the gap 5 times and after each pass, samples were taken and analyzed. As a result of processing the results obtained, it was found that with gaps of more than 0.2 mm, a sharp decrease in particles with a small number of layers is observed, and with a gap of more than 0.5 mm, the process of reducing the layers practically stopped.

Устройство для осуществления способа получения графеносодержащих суспензий по п. 1, содержащее узел диспергирования 5, содержащий корпус 6, в котором установлен диск 7, соединенный с приводным валом 8, привод вращения которого снабжен подшипниковым узлом 9, закрепленным в центральной расточке крышки корпуса 10, коаксиально установленной в верхней части корпуса с возможностью регулирования зазора между днищем и крышкой с помощью нажимных шпилек 11 и отжимных болтов 12, при этом загрузочное отверстие 13 расположено в центральной части днища, а разгрузочное отверстие 14 расположено в боковой стенке корпуса выше верхней кромки диска 7. Устройство содержит узел подачи смеси графита и жидкости, установленный на входе стержневой барабанной мельницы 15, выход 16 которой соединен с загрузочным отверстием центрифуги 17, соединенной с приводом 18 и снабженной штуцером отвода осадка 3 и штуцером отвода фугата. 4, последний соединен с загрузочным отверстием узла диспергирования 19 через промежуточную емкость 20 с насосом-дозатором 21, при этом в узле диспергирования дно корпуса выполнено с кольцевыми пазами 22, а нижняя поверхность диска - с кольцевыми выступами 23, причем выступы размещены в пазах с боковыми зазорами менее 0,2 мм. На фигурах 2 и 5 показаны варианты выполнения контактных рабочих поверхностей корпуса 6 и диска 7 в виде прямоугольников, треугольников и полуколец. Загрузочное отверстие 13 смещено относительно центра вращения диска 7 на величину (0,1÷0,2) R, где R - радиус диска.A device for implementing a method for producing graphene-containing suspensions according to claim 1, comprising a dispersion unit 5, comprising a housing 6, in which a disc 7 is installed, connected to a drive shaft 8, the rotation drive of which is equipped with a bearing unit 9 fixed in the central bore of the housing cover 10, coaxially installed in the upper part of the body with the possibility of adjusting the gap between the bottom and the lid using push pins 11 and forcing bolts 12, while the loading hole 13 is located in the central part of the bottom, and the discharge hole 14 is located in the side wall of the body above the upper edge of the disc 7. Device contains a unit for supplying a mixture of graphite and liquid, installed at the inlet of the rod drum mill 15, the outlet 16 of which is connected to the charging hole of the centrifuge 17, connected to the drive 18 and equipped with a sludge outlet 3 and a centrifuge outlet. 4, the latter is connected to the loading opening of the dispersion unit 19 through an intermediate container 20 with a metering pump 21, while in the dispersion unit the bottom of the housing is made with annular grooves 22, and the lower surface of the disc is made with annular protrusions 23, and the protrusions are located in the slots with lateral gaps less than 0.2 mm. Figures 2 and 5 show embodiments of the contact working surfaces of the housing 6 and the disk 7 in the form of rectangles, triangles and half rings. The loading hole 13 is displaced relative to the center of rotation of the disk 7 by an amount (0.1 ÷ 0.2) R, where R is the radius of the disk.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Работа устройства начинается с установки зазора между днищем корпуса 6 и диском 7. Для этого при отпущенных гайках нажимных шпилек 11 болтами отжимными 12 крышка 10 перемещается относительно корпуса 6 в вертикальной плоскости. Вместе с крышкой 10 перемещается подшипниковый узел 9 с приводным валом 8 и диском 7. После установки диска 7 в заданное положение производится затяжка гаек на нажимных шпильках 12. После включения привода вращения 18, который через приводной вал 8, установленный в подшипниковом узле 9, передает вращение диску 7, через загрузочное отверстие 13, расположенное на оси корпуса 6, насосом-дозатором 21 в зазор между диском 7 и днищем корпуса 6 подается исходный материал. В зависимости от вязкости исходного материала в качестве насоса-дозатора 21 может быть использован мембранный, шестеренчатый или плунжерный насос, соединенный с промежуточной емкостью 20. При вращении диска 7 исходный материал в зазоре между диском 7 и днищем корпуса 6 между рабочими поверхностями 22 и 23 подвергается диспергированию за счет интенсивных сдвиговых деформаций, величина которых зависит не только от вязкости исходного материала, но и от величины зазора, частоты вращения диска 7 и от давления, развиваемого насосом-дозатором 21. Обработанный материал через кольцевой зазор между корпусом 6 и боковой поверхностью диска 7 поступает в разгрузочное отверстие 14, расположенное в стенке корпуса 1 на дальнейшую переработку.The operation of the device begins with setting the gap between the bottom of the housing 6 and the disc 7. To do this, when the nuts of the pressure pins 11 are released with the release bolts 12, the cover 10 moves relative to the housing 6 in the vertical plane. Together with the cover 10, the bearing unit 9 moves with the drive shaft 8 and the disk 7. After the disk 7 is installed in a given position, the nuts are tightened on the pressure pins 12. After turning on the rotation drive 18, which, through the drive shaft 8 installed in the bearing unit 9, transfers rotation of the disk 7, through the loading hole 13 located on the axis of the housing 6, the dosing pump 21 feeds the raw material into the gap between the disk 7 and the bottom of the housing 6. Depending on the viscosity of the starting material, a diaphragm, gear or plunger pump connected to the intermediate container 20 can be used as a metering pump 21. When the disc 7 rotates, the starting material in the gap between the disc 7 and the bottom of the housing 6 between the working surfaces 22 and 23 dispersion due to intense shear deformations, the magnitude of which depends not only on the viscosity of the starting material, but also on the size of the gap, the rotational speed of the disk 7 and on the pressure developed by the metering pump 21. The processed material through the annular gap between the body 6 and the lateral surface of the disk 7 enters the discharge opening 14 located in the wall of the housing 1 for further processing.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для его реализации позволяют достичь поставленную цель, т.е. обеспечивает получение графеносодержащих суспензий в непрерывном режиме, без интеркалирования графита кислотой, с меньшим количеством слоев графеновых структур, чем в способе-прототипе.Thus, the proposed method and device for its implementation can achieve the goal, i.e. provides obtaining graphene-containing suspensions in continuous mode, without intercalation of graphite with acid, with fewer layers of graphene structures than in the prototype method.

Claims (5)

1. Способ получения графеносодержащих суспензий, включающий получение смеси графита с органической жидкостью, диспергирование за счет интенсивной сдвиговой деформации под давлением путем ее пропускания через зазор между неподвижным корпусом и вращающимся диском, отличающийся тем, что перед диспергированием смесь обрабатывают в стержневой барабанной мельнице от 15 до 40 часов, после чего центрифугируют от 10 до 60 минут при средних значениях центробежных ускорений в смеси от 40 до 45 мс-2, удаляют осадок в количестве от 1/6 до 1/4 от общего объема смеси, а фугат направляют в узел диспергирования.1. A method of obtaining graphene-containing suspensions, including obtaining a mixture of graphite with an organic liquid, dispersing due to intense shear deformation under pressure by passing it through a gap between a stationary body and a rotating disk, characterized in that before dispersing the mixture is processed in a rod drum mill from 15 to 40 hours, then centrifuged from 10 to 60 minutes at average values of centrifugal accelerations in the mixture from 40 to 45 ms -2 , remove sediment in an amount from 1/6 to 1/4 of the total volume of the mixture, and the centrifuge is sent to the dispersion unit. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при диспергировании периодически изменяют на 90 градусов направление движения смеси в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся диском.2. The method according to claim 1, characterized in that during dispersion, the direction of movement of the mixture in the gap between the stationary body and the rotating disk is periodically changed by 90 degrees. 3. Устройство для осуществления способа получения графеносодержащих суспензий по п. 1, содержащее узел диспергирования, содержащий корпус, в котором установлен диск, соединенный с приводным валом, привод вращения которого снабжен подшипниковым узлом, закрепленным в центральной расточке крышки корпуса, коаксиально установленной в верхней части корпуса с возможностью регулирования зазора между днищем и крышкой, при этом загрузочное отверстие расположено в центральной части днища, а разгрузочное отверстие расположено в боковой стенке корпуса выше верхней кромки диска, отличающееся тем, что оно содержит узел подачи смеси графита и жидкости, установленный на входе стержневой барабанной мельницы, выход которой соединен с загрузочным отверстием центрифуги, снабженной штуцером отвода осадка и штуцером отвода фугата, который соединен с загрузочным отверстием узла диспергирования через промежуточную емкость с насосом -дозатором, при этом в узле диспергирования дно корпуса выполнено с кольцевыми пазами, а нижняя поверхность диска - с кольцевыми выступами, причем выступы размещены в пазах с боковыми зазорами менее 0,2 мм.3. A device for implementing a method for producing graphene-containing suspensions according to claim 1, comprising a dispersion unit comprising a housing in which a disk is installed connected to a drive shaft, the rotation drive of which is equipped with a bearing assembly fixed in the central bore of the housing cover, coaxially installed in the upper part housing with the ability to adjust the gap between the bottom and the lid, while the loading opening is located in the central part of the bottom, and the discharge opening is located in the side wall of the housing above the upper edge of the disk, characterized in that it contains a supply unit for a mixture of graphite and liquid installed at the inlet of the rod drum mill, the outlet of which is connected to the loading hole of the centrifuge, equipped with a sludge outlet and a centrifuge outlet, which is connected to the loading hole of the dispersion unit through an intermediate container with a dosing pump, while in the dispersion unit the bottom of the housing is made with annular grooves, and the lower surface of the disc - with annular protrusions, and the protrusions are located in the grooves with side gaps of less than 0.2 mm. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кольцевые пазы корпуса и кольцевые выступы диска имеют прямоугольную форму.4. The device according to claim. 3, characterized in that the annular grooves of the body and the annular projections of the disc have a rectangular shape. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кольцевые пазы корпуса и кольцевые выступы диска имеют треугольную форму.5. The device according to claim 3, characterized in that the annular grooves of the body and the annular projections of the disc have a triangular shape.
RU2019141022A 2019-12-12 2019-12-12 Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method RU2743523C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141022A RU2743523C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141022A RU2743523C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743523C1 true RU2743523C1 (en) 2021-02-19

Family

ID=74666341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141022A RU2743523C1 (en) 2019-12-12 2019-12-12 Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743523C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793553C1 (en) * 2022-06-17 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Method for obtaining graphene-containing suspensions by graphite exfoliation

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102730676B (en) * 2012-07-18 2014-03-26 中国水产科学研究院黄海水产研究所 Method for preparing graphene
RU2603834C2 (en) * 2013-11-12 2016-11-27 Владимир Ильич Мазин Method of producing colloidal dispersions of graphene
CN105523551B (en) * 2016-02-02 2017-06-16 成都新柯力化工科技有限公司 A kind of method for being by mechanically pulling off grading system for graphene microchip
RU2648892C2 (en) * 2016-02-24 2018-03-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method for production of graphene-containing materials and device for carrying it out
RU2665397C1 (en) * 2017-07-06 2018-08-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Graphene aqueous suspension for conductive ink production method
US20180370802A1 (en) * 2015-11-26 2018-12-27 Fondazione Istituto Italiano Di Tecnologia Exfoliation of layered materials by wet-jet milling techniques

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102730676B (en) * 2012-07-18 2014-03-26 中国水产科学研究院黄海水产研究所 Method for preparing graphene
RU2603834C2 (en) * 2013-11-12 2016-11-27 Владимир Ильич Мазин Method of producing colloidal dispersions of graphene
US20180370802A1 (en) * 2015-11-26 2018-12-27 Fondazione Istituto Italiano Di Tecnologia Exfoliation of layered materials by wet-jet milling techniques
CN105523551B (en) * 2016-02-02 2017-06-16 成都新柯力化工科技有限公司 A kind of method for being by mechanically pulling off grading system for graphene microchip
RU2648892C2 (en) * 2016-02-24 2018-03-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method for production of graphene-containing materials and device for carrying it out
RU2665397C1 (en) * 2017-07-06 2018-08-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) Graphene aqueous suspension for conductive ink production method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793553C1 (en) * 2022-06-17 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Method for obtaining graphene-containing suspensions by graphite exfoliation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101663344B1 (en) Roller-type homogenizing mill
US2862658A (en) Method and apparatus for centrifugal separation of a mixture of solids and two liquids
AU2014271185B2 (en) A grinding apparatus
CN1064863C (en) Granular material processing apparatus
RU2743523C1 (en) Method for producing graphene-containing suspensions and device for carrying out said method
RU2424057C1 (en) Feed-processing mixer
CN103657774B (en) Inertial ball mill
RU2016106421A (en) METHOD FOR PRODUCING GRAPHEN-CONTAINING MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN104394996B (en) laminar flow centrifugal separator
RU2540537C2 (en) Method and device for grinding
RU2319548C2 (en) Hydraulic separator
CN106930132B (en) Pulping equipment based on water-injection-free materialized pulping
RU201067U1 (en) Mill
RU2737925C1 (en) Method of producing graphene-containing suspensions by graphite exfoliation and device for implementation thereof
CN201216946Y (en) Vertical wet-process crusher
US2316982A (en) Apparatus for grinding and separating ores
RU2526738C1 (en) Rotary crusher
RU217782U1 (en) Closed Loop Mill
RU2724667C1 (en) Rotary-centrifugal unit of combined action for processing of organic and mineral materials
CN208695283U (en) A kind of spiral centrifugal separator
CN108816526A (en) A kind of spiral centrifugal separator
RU2783291C1 (en) Device for obtaining graphene-containing suspensions by graphite exfoliation
CN104759333B (en) A kind of high-pressure roller mill pie product Wet-type high-efficient beater
CN215997110U (en) Chemical product solid-liquid centrifugal device
RU2639163C1 (en) Device for mixing bulk materials